گزارش کارآموزی واحد مهندسی خوردگی خطوط لوله و مخابرات نفت تهران

مقدمه:

خوردگی تأسیسات صنعتی یکی از زمینه‌هایی است که مورد توجه خاص دانش‌پژوهان قرار دارد. در گزارش حاضر سعی شده که اطلاعاتی در مورد روشها، تجربیات دستگاهها و لوازم مورد نیاز همراه با تئوریهای اصول خوردگی  چگونگی آزمایشها، اندازه‌گیریها، ذکر شود.

ابتدا بهتر است که مفهوم نسبتاً صریحی از خوردگی داشته باشیم تا بتوانیم با روشی بیشتری در مرد طرق مبارزه با آن بحث نمائیم ، خوردگی تعاریف مختلفی دارد. این تعاریف هر کدام در مواردی صحت دارند و هر کدام فقط گوشه‌ای از مطلب را بیان می‌کند ما برای هدفی که در پیش داریم، در مورد یک لوله مدفون شده در خاک، خوردگی را یک پدیده الکتروشیمیایی تعریف کرده و وجود اکسیژن را برای ادامه خوردگی ضروری محسوب می‌نماییم. با قبول این مزیت به بیان شرایطی می‌پردازیم که با واقع شدن آنها یک سل خوردگی می‌تواند فعالیت داشته باشد:

1-  یک کاتد و یک آند باید وجود داشته باشد.

2- بین آند و کاتد اختلاف پتانسیل برقرار باشد.

3- یک رابط فلزی بین آند و کاتد وجود داشته باشد.

4- آند و کاتد در یک الکترولیت هادی باشند ، بدین معنی که مقداری از مولکولهای آب به صورت یون درآمده باشد،

حال برای یک لوله مدفون شده، کاتد که خود لوله است و آند بیشتر سیلیکون آیرن (silicon Iron) استفاده می‌شود. (شرط 1). برای برقراری اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد از قوانین و یکسوکننده استفاده می‌شود. (شرط 1 (شرط 2) برای رابط فلزی خود لوله به صورت رابط فلزی عمل می‌کند و شرط چهارم با توجه به رطوبت خاک فراهم می‌شود.

اختلاف پتانسیل موجود بین آند و کاتد باعث بوجود آمدن جریان الکترونی از طرف آند به کاتد در مدار فلزی بین آند و کاتد خواهد گردید. در آند فلز با از دست دادن الکترون، تولید یون آهن با بار مثبت خواهد کرد که با OH موجود در آن حوالی تولید هیدروکسید دو ظرفیتی آهن به فرمول  خواهد کرد. که با یک مرحله اکسید شدن به صورت زنگ آهن  در خواهد آمد.

در ناحیه کاتدی تعداد الکترون اضافی از طرف آند تأمین شده است، این الکترونها با یونهای مثبت هیدروژن محیط، تولید گاز  می‌کنند که به صورت لایه در اطراف کاتد در خواهد آمد و به قشر پلاریزاسیون موسوم است، با این تبدیل هیدروژن اتمی به هیدروژن گازی مقداری یون  اضافی در ناحیه کاتدی بوجود خواهد آمد که سبب افزایش خاصیت بازی ناحیه کاتدی می‌شود.

چند  نکته:

1- جهت جریان الکتریسیته (خلاف جهت حرکت الکترونها) در مدار  فلزی از کاتد به آند خواهد بود.

2- جهت جریان در داخل الکترولیت از آند به کاتد خواهد بود.

3- خوردگی فلز در آند یعنی  قطبی که جریان از آن به طرف الکترولیت خارج می‌شود اتفاق می‌افتد.

4- فلزی که جریان از محیط اطراف دریافت می‌کند خورده نمی‌شود.

مقدار کاهش وزن فلز با شدت جریان خوردگی متناسب خواهد بود. یک آمپر جریان مستقیم که از فولاد به طرف خاک خارج می‌شود، می‌تواند سالانه حدود بیست پوند فولاد را بخورد. البته در مسائل مربوط به خوردگی خط لوله به ندرت با شدت جریان‌های بالا روبرو خواهیم شد و معمولاً شدت جریانها در حدود چند میلی آمپر خواهند بود. ولی باید توجه کرد که حتی یک میلی آمپر در طول سال اگر فقط از هفت نقطه لوله خارج شود، می‌تواند باعث ایجاد هفت عدد سوراخ به قطر  اینچ روی یک لوله دو اینچی با ضخامت استاندارد گردد. البته این نکته که تعداد نقاط خروج جریان به چند نقطه محدود نگردد، بسیار حائز اهمیت است و بهتر آن است که جریان در سطح بیشتری توزیع شود تا آنکه قدرت نفوذی آن در لوله کاهش یابد.

تأثیر مقاومت در شدت جریان خوردگی:

مقاومت ظاهری مدار شامل دو قسمت خواهد بود:  مقاومت اهلی اجزاء مدار و مقاومت ناشی از لایه پلاریزاسیون در کاتد. هر چه مقاومت کمتر باشد، شدت جریان بیشتر بوده و در نتیجه کاهش وزن زیادتری حاصل خواهد. مقاومت الکترولیت عبارت خواهد بود از مقاومت الکتریکی خاک یا آب که می‌تواند بشدت متغیر باشد. برای یک الکترولیت با مقاومت الکتریکی معین سطح آند و کاتد فاکتور مهمی خواهد بود. هر چه این سطح کوچکتر باشد، مقاومت زیادی در مدار ایجاد می‌شود. بعضی مواقع محصولات خوردگی نیز می‌تواند مقاومت قابل ملاحظه‌ای در مدار ایجاد کنند ولی این مقاومت در مورد فولاد چندان نخواهد بود.

لایه پلاریزاسیون در کنترل مقدار جریان خوردگی نقش اسامی دارد به طوری که این لایه به صورت یک لایه ‌ عایق عمل کرده و ممکن است افت ولتاژ در این لایه با اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد برابر گشته و جریان خوردگی را به سمت صفر سوق دهد.

 از گفته‌های بالا می‌توان به این نکته پی برد که این لایه پلاریزاسیون می‌تواند بخوبی از خورده شدن لوله جلوگیری نماید اما اغلب مواردی وجود دارند که سبب از بین رفتن این لایه می‌شوند مانند لوله ای که در درون  آب قرار داشته باشد که در این مورد جریان آب سبب از بین رفتن این لایه هیدروژنی می‌گردد. یا می‌توانند عامل شیمیایی باشد همانند حضور اکسیژن در الکترولیت که با هیدروژن ترکیب شده سبب از بین رفتن لایه پلاریزاسیون می‌گردد و با همچنین در خاکهای میکروبی ، باکتریهای بخصوصی می‌توانند باشند که سبب از رفتن این لایه گردند.

حال در اینجا سؤالی مطرح می شود که نقاط آندی و کاتدی در یک لوله زیرزمینی چگونه بوجود می‌آیند. شرایطی وجود دارد که به تشکیل نقاط آندی و کاتدی منجر می‌شوند که با آگاهی یافتن از این شرایط می‌توان در مرحله طراحی و نصب این لوله‌ها اقداماتی را انجام داد که منجر به خنثی کردن این شرایط و نگهداری بیشتر لوله شود.

هر فلزی که داخل الکترولیتی قرار دارد، پتانسیلی نسبت به آن الکترولیت پیدا خواهد کرد که با الکترود مرجع به سادگی می‌توان اختلاف پتانسیل را مورد محاسبه قرار داد.

در عمل ما بیشتر از الکترود مرجع مس- سولفات مس استفاده می‌کنیم، که در جدول زیر پتانسیل بعضی از فلزات در خاک خنثی یا آب در مقایسه با الکترود و مرجع مس- سولفات مس آورده شده که در این جدول از بالا به پایین بر خاصیت کاتدی فلزات افزوده می‌شود

در بعضی مواقع ممکن است خوردگی در اثر تغییر در ترکیب شیمیایی خاک رخ دهد چون در عمل در بعضی موارد ممکن است که ترکیب شیمیایی خاک از نقطه‌ای به نقطه ‌ دیگر تغییر کند که این علل نیز سبب خوردگی خواهد شد. چرا که اختلاف پتانسیل پین دو قسمت لوله واقع در این دو محیط مختلف حاصل شده و سبب تشکیل یک پیل می‌شود. که در این حالت قسمتی از لوله کاتد و قسمت دیگری از همان لوله آند خواهد شد که آند خورده شده و عمر کوتاه‌تری خواهد داشت. یک نوع پیل دیگر ممکن است در اثر تفاوت غلظت هوای موجود در اطراف لوله بوجود آید که این نوع خوردگی در گروه مهمترین پیلها و خوردگی‌ها قرار داشته باشد. بعنوان مثال برای این مورد می‌توان لوله‌ای را ذکر کرد که قسمتی از آن در خاک و قسمت دیگران از زیر یک جاده آسفالت عبور کرده باشد که در این صورت نواحی از لوله که از زیر جاده ‌آسفالت عبور کرده باشد که در این صورت نواحی از لوله که در زیر جاده آسفالت قرار دارد، نفوذ اکسیژن به محیط اطراف لوله  مشکل تر است لذا بین این منطقه از لوله و مناطق دورتر یک پیل غلظتی هوایی تشکیل می‌شود و منجر به خوردگی شدید لوله زیر ناحیه ‌ آسفالت می‌گردد. همچنین است در مورد لوله‌ای که از زیر نهری عبور  کرده باشد که در آن صورت درباره قسمت از لوله که در زیر نهر قرار دارد آندی شده و خوردگی بیشتری خواهد داشت.

یک نوع دیگری از خوردگی زمانی می‌تواند اتفاق افتد که یک لوله فولادی کهنه با قسمت جدیدی تعویض شود. در این صورت پتانسیل دو لوله نسبت به هم متفاوت خواهد شد، (به علت وجود محصولات خوردگی بر روی نقاط لوله ‌ کهنه)، در نتیجه یک پیل خوردگی تشکیل شده  و منطقه لوله جدید نسبت به لوله کهنه و قدیمی خوردگی بیشتری خواهد داشت و زودتر از لوله ‌قدیمی سوراخ می‌گردد. به همین علت باید دقت شود تا در حین عملیات کندن زمین ، نوک ابزار به لوله برخورد نکند، زیرا اگر این برخورد اتفاق افتد، سبب خراشیده شدن لوله شده و در نتیجه سطح تازه ‌ فولاد را در تماس با هوا و سطح قدیمی لوله قرار می‌دهد و سبب خوردگی شدید سطح خراشیده شده و سوراخ شدن آن قسمت خواهد شد.

همچنین است در مورد پوسته‌های اکسیدی ناشی از نورد لوله‌های فولادی که هر گاه یک لوله فولادی به همراه پوسته‌های اکسیدی حاصله از عملیات فورد در خاک دفن شود نقاط مربوط به پوسته های اکسیدی کاتد و نقاط فولاد بدون پوسته آند خواهند شد و در نقاط لوله که عاری از پوسته‌های اکسیدی هستند خورندگی شدیدی اتفاق خواهد افتاد .

همان‌طور که قبلاً نیز اشاره شده نسبت سطوح آندی و کاتدی در تعیین میزان خوردگی بسیار مؤثر است. اگر سطح قسمت آندی ما نسبت به قسمت کاتدی کم باشد شدت جریان خروجی در واحد سطح از آند زیاد بوده و باعث خوردگی شدید آند شده و چون شدت جریان دریافت شده توسط کاتد که دارای سطح بزرگی است، کم است، عمل پلاریزاسیون خیلی به کندی صورت می‌گیرد و نتیجتاً پیل خوردگی به صورت فعال ادامه خواهد داشت. در حالیکه در شرایطی که سطح آند بزرگ است شدت جریان خروجی آن در واحد سطح کم بوده و سرعت خوردگی نسبتاً کم خواهد بود و چون سطح کاتد کوچک است ، شدت جریان دریافتی آن زیاد بوده و بزودی پلاریزه شده و باعث کم شدن شدت جریان خوردگی می‌شود.

حال با توجه به نکاتی که در قبل ذکر شد و همچنین با شناخت عواملی که منجر به خوردگی یک لوله می‌شوند می‌توان روشهای مقابله را تعیین نمود. که روشهای اصلی مقابله با خوردگی لوله عبارتند از:

1- استفاده از پوششها

2- حفاظت کاتدی

از پوشش انتظار می‌رود که به صورت یک قشر پیوسته و عایق الکتریکی سطح لوله را پوشانیده و نتیجتاً مقاومت زیادی در مدار خوردگی ایجاد نماید به طوری که  شدت جریان خوردگی کاهش داده شود.

سیستم حفاظت کاتدی هم به طور ساده عبارتست  از اعمال یک جریان مستقیم از یک منبع خارجی که در جهت مخالف خروج جریان از نواحی آندی عمل می‌کند. با اعمال این جریان تمام ساختمان فلزی از محیط اطراف جریان دریافت کرده و به یک کاتد بزرگ تبدیل خواهد شد.

که حال به توضیح این روشها پرداخته می‌شود:

پوششها:

این تصور منطقی است که با پوشش کردن لوله می‌توان از خوردگی آن جلوگیری کرد ولی این نوع حفاظت وقتی کامل می‌شود که :

 1- پوشش مصرفی عایق الکتریکی خوبی باشد.